高地震烈度區(qū)大型間接空氣冷卻塔的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析

宋良華，高 嵐，馬 超

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021）

隨著投產(chǎn)機(jī)組功率越來(lái)越大，火力發(fā)電廠用水量隨之增大。在我國(guó)北部的大部分干旱少雨地區(qū)，雖然煤炭資源豐富，但水資源匱乏，為了節(jié)水，許多電廠采用了間接空氣冷卻塔（以下簡(jiǎn)稱間冷塔）進(jìn)行冷卻，與同等容量機(jī)組的濕冷塔相比，間冷塔塔體規(guī)模更大，而在目前建造間冷塔的地區(qū)，多為風(fēng)壓大、溫差大的地區(qū)。在間冷塔的設(shè)計(jì)中，對(duì)風(fēng)荷載及溫度應(yīng)力的作用研究的比較多，對(duì)超大型間冷塔建在高烈度地震高發(fā)區(qū)域的研究比較少。對(duì)于受力復(fù)雜的大塔，在進(jìn)行各種組合工況的計(jì)算中，對(duì)于塔的某些部位及塔的抗震計(jì)算是設(shè)計(jì)中的控制因素。為保證間冷塔結(jié)構(gòu)安全性并盡可能降低造價(jià)，需對(duì)間冷塔的各結(jié)構(gòu)部位優(yōu)化進(jìn)行研究，選擇合理的安全可靠的結(jié)構(gòu)斷面。以下結(jié)合某工程實(shí)例，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行間冷塔結(jié)構(gòu)的整體有限元分析，按照實(shí)際尺寸建立有限元分析模型，對(duì)其進(jìn)行靜、動(dòng)力荷載組合分析和抗震時(shí)程分析計(jì)算，總結(jié)大型間冷塔各結(jié)構(gòu)部位所受控制的荷載工況，為高地震區(qū)間冷塔的結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 塔的靜、動(dòng)力分析計(jì)算［1］

1.1 塔的強(qiáng)度及裂縫計(jì)算的荷載工況

a.承載能力極限狀態(tài)。工況1：1.0自重荷載＋1.4風(fēng)荷載＋0.6溫度荷載；工況2：1.0自重荷載＋0.84風(fēng)荷載＋1.0 溫度荷載；工況3：1.0 自重荷載＋1.4風(fēng)荷載；工況4：1.2自重荷載＋1.3水平地震效應(yīng)荷載＋0.5豎向地震效應(yīng)荷載＋0.35 風(fēng)荷載＋0.6溫度荷載。

b.正常使用極限狀態(tài)（用于驗(yàn)算塔筒及剛性環(huán)裂縫）。工況5：1.0自重荷載＋1.0風(fēng)荷載＋0.6溫度荷載；工況6：1.0自重荷載＋0.6風(fēng)荷載＋1.0溫度荷載。以上自重荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載均為標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)。

1.2 塔的靜、動(dòng)計(jì)算

1.2.1 靜力計(jì)算

a.對(duì)模型分別在自重、風(fēng)、溫度荷載等不同工況作用下，計(jì)算出其內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值。

b.對(duì)各種荷載作用下的效應(yīng)按照所選取的工況進(jìn)行不同組合，得出相應(yīng)組合工況下間冷塔的內(nèi)力值。

c.按照承載能力極限狀態(tài)計(jì)算各組合工況下的塔體配筋量；按照正常使用極限狀態(tài)計(jì)算各組合工況下，能夠滿足GB 50191—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求裂縫寬度的塔體配筋量。

1.2.2 動(dòng)力計(jì)算［2］

a.對(duì)模型在地震荷載工況作用下，計(jì)算出內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于8度、9度地區(qū)的塔應(yīng)采用振型分解反映譜法計(jì)算地震力，同時(shí)采用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，并考慮水平和垂直兩個(gè)方向上的地震加速度作用，豎向地震影響系數(shù)的最大值，采用水平地震影響系數(shù)的0.65倍。地震影響系數(shù)曲線見(jiàn)圖1。

圖中a為地震影響系數(shù)；amax為地震影響系數(shù)最大值；n1為直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù)；r為衰減指數(shù)；Tg為特征周期；n2為阻尼調(diào)整系數(shù)；T為結(jié)構(gòu)自振周期；￡為阻尼比。

r＝0.9＋（0.05－￡）/（0.3＋6￡）

n1＝0.02＋（0.05－￡）/（4＋32￡）

n2＝1＋（0.05－￡）/（0.08＋1.6￡）

b.考慮到地震荷載在與風(fēng)荷載組合時(shí)，有風(fēng)向和地震波方向的選擇，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將風(fēng)荷載按照沿圓周每10°角的方向作用于塔上，計(jì)算出沿圓周各個(gè)方向作用風(fēng)荷載的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值，地震組合工況內(nèi)力計(jì)算時(shí)，將不同風(fēng)荷載方向的內(nèi)力分別與地震力、自重及溫度等荷載進(jìn)行組合，最后計(jì)算出按照承載能力極限狀態(tài)地震組合工況下的塔體配筋。

c.根據(jù)計(jì)算結(jié)果，篩選出塔環(huán)基、X支柱及塔筒沿高度方向的最大控制配筋面積。

d.綜合考慮塔的靜力計(jì)算及動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，最后篩選并確定塔的各部位，包括環(huán)基、X支柱及塔筒的配筋。

2 塔的有限元結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算分析

2.1 工程概況

某工程間冷塔設(shè)計(jì)主要參數(shù)為，廠址地區(qū)50年超越概率為10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.358g（該地區(qū)地震劃分地震基本烈度為Ⅷ度第三組），地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.65s；該地區(qū)的基本風(fēng)壓為0.56kN/m2，極端最高氣溫為39.9 ℃，極端最低氣溫為－24.2 ℃；塔的進(jìn)風(fēng)口直徑為130.394m，進(jìn)風(fēng)口高度為31m，喉部直徑為87.7m，喉部標(biāo)高為150m，塔頂出口直徑為89.4m，冷卻塔塔高為168 m；殼底傾角為16°，X支柱為48對(duì)。

2.2 有限元模型的建立

運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行間冷塔結(jié)構(gòu)的整體有限元分析，按照實(shí)際尺寸，建立有限元分析模型，支柱用Beam188梁?jiǎn)卧M，每根支柱等分為4個(gè)梁?jiǎn)卧灿?84 個(gè)梁?jiǎn)卧?。殼體采用Shell63 殼體單元模擬。殼體沿環(huán)向分為192份，沿子午向按模板分為108份，共有20 736個(gè)殼體單元。地基環(huán)梁采用beam188梁?jiǎn)卧M，每個(gè)跨內(nèi)分為4 個(gè)梁?jiǎn)卧?，共?92個(gè)梁?jiǎn)卧?/p>

2.3 有限元分析計(jì)算［3］

2.3.1 載荷概況

自重荷載加速度取9.8 m/s2。風(fēng)載荷取基本風(fēng)壓0.56kPa，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，風(fēng)振系數(shù)取1.9，塔群影響系數(shù)為1.0，風(fēng)壓沿高度z變化系數(shù)為：

圖1 地震影響系數(shù)曲線

式中：θ為沿環(huán)向角度；無(wú)肋情況下a0～a7的值依次為－0.442 6、0.245 1、0.675 2、0.535 6、0.061 5、－0.138 4、0.001 4、0.065 0；Q/DG 1－S012—2011《超大型冷卻塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則》在加肋情況下，a0～a7的值依次為－0.392 3、0.260 2、0.602 4、0.504 6、0.106 4、－0.094 8、－0.018 6、0.046 8。

溫度載荷：塔內(nèi)空氣溫度為35 ℃。

內(nèi)吸力載荷：局部穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，內(nèi)壓分布系數(shù)為0.5，沿著塔高H均勻分布，塔頂設(shè)計(jì)風(fēng)壓為（H/10）0.32。

局部封閉平臺(tái)載荷：X支柱的局部封閉平臺(tái)載荷，平臺(tái)水平支撐傳給X柱頂部的水平載荷為FX＝－130kN（水平向右為正），豎向載荷為FZ＝－70 kN（豎向上為正）。平臺(tái)斜支撐傳給X柱中部的水平載荷為：FX＝130kN，豎向載荷FZ＝－460kN。地震分析：地震基本烈度為Ⅷ，譜分析特征周期為0.65s，最大響應(yīng)系數(shù)0.288，豎向與水平向比例為0.65，阻尼比0.05，所考慮的模態(tài)數(shù)量為500。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1看出，從下環(huán)梁向上塔筒大約10m 范圍內(nèi)，所配的環(huán)向鋼筋都由地震荷載組合工況控制，10 m 以上位置環(huán)向鋼筋主要由溫度應(yīng)力大的荷載組合工況控制。從下環(huán)梁向上塔筒大約5m 范圍內(nèi)，所配的縱向鋼筋都由地震荷載組合工況控制，5 m以上到大約喉部位置縱向鋼筋主要由風(fēng)荷載的荷載組合工況控制，喉部到上環(huán)梁位置主要由溫度應(yīng)力大的荷載組合工況控制。

考慮徐變后，對(duì)于風(fēng)荷載占主要的組合工況和溫度應(yīng)力占主要的組合工況相比，配筋量相差不大，風(fēng)荷載對(duì)塔筒的下部影響大些，而塔筒上部配筋受溫度應(yīng)力影響大些。

地震荷載對(duì)下環(huán)梁的配筋影響非常大，環(huán)向鋼筋配筋量約為非地震區(qū)的2倍，縱向鋼筋配筋量約為其3倍。不考慮徐變時(shí)各工況下塔筒主要位置的配筋結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2看出，從下環(huán)梁向上塔筒大約15m 范圍內(nèi)，所配的環(huán)向鋼筋都由地震荷載組合工況控制，距離下環(huán)梁15m 至140m 位置環(huán)向鋼筋主要由溫度應(yīng)力大的荷載組合工況控制。距離下環(huán)梁140 m以上位置環(huán)向鋼筋主要由地震荷載組合工況控制。

從下環(huán)梁向上塔筒大約4m 范圍內(nèi)，所配的縱向鋼筋都由地震荷載組合工況控制，距離下環(huán)梁4 m 至14m 位置縱向鋼筋主要由溫度應(yīng)力大的荷載組合工況控制，距離下環(huán)梁14m 至50m 位置縱向鋼筋主要由風(fēng)荷載的荷載組合工況控制，距離下環(huán)梁50m 到上環(huán)梁位置主要由溫度應(yīng)力大的荷載組合工況控制。

不考慮徐變時(shí)，對(duì)于風(fēng)荷載占主要的組合工況和溫度應(yīng)力占主要的組合工況相比，配筋量相差很多，對(duì)于環(huán)向鋼筋，溫度應(yīng)力占主要的組合工況要比風(fēng)荷載占主要的組合工況增加50%，對(duì)于縱向鋼筋，溫度應(yīng)力占主要的組合工況要比風(fēng)荷載占主要的組合工況有所增加。整個(gè)塔筒配筋受溫度應(yīng)力影響大些。

地震荷載對(duì)下環(huán)梁的配筋影響非常大，環(huán)向鋼筋配筋量約為非地震區(qū)為1倍，縱向鋼筋配筋量約為3倍。

表1 考慮徐變時(shí)各工況下塔筒主要位置的配筋量 mm2

表2 不考慮徐變時(shí)各工況下塔筒主要位置的配筋量 mm2

3 結(jié)論

a.當(dāng)溫度應(yīng)力考慮徐變時(shí)，對(duì)于風(fēng)荷載占主要的工況和溫度應(yīng)力占主要的組合工況相比，配筋量相差不大，風(fēng)荷載對(duì)塔筒的下部影響大些，而塔筒上部配筋受溫度應(yīng)力影響大些。對(duì)于8.75度的高烈度地震區(qū)域，地震荷載對(duì)塔筒下環(huán)梁的配筋影響非常大，鋼筋配筋量約為非地震區(qū)2倍，縱向鋼筋配筋量約為非震區(qū)的3倍，當(dāng)溫度應(yīng)力不考慮徐變時(shí)，對(duì)于風(fēng)荷載占主要的組合工況和溫度應(yīng)力占主要的組合工況相比，配筋量相差很多，對(duì)于環(huán)向鋼筋，溫度應(yīng)力占主要的組合工況要比風(fēng)荷載占主要的組合工況增加50%，對(duì)于縱向鋼筋，溫度應(yīng)力占主要的組合工況要比風(fēng)荷載占主要的組合工況有所增加。整個(gè)塔筒配筋受溫度應(yīng)力影響大些。對(duì)于8.75度的高烈度地震區(qū)域，地震荷載對(duì)下環(huán)梁的配筋影響非常大，和非地震區(qū)相比環(huán)向鋼筋配筋量約為1倍，縱向鋼筋配筋量約為其3倍。

b.對(duì)于承載能力極限狀態(tài)工況1風(fēng)荷載占主要的組合情況，當(dāng)不考慮徐變時(shí)，加肋塔比不加肋的塔節(jié)省鋼筋量9%左右。

c.對(duì)于承載能力極限狀態(tài)工況2溫度應(yīng)力占主要地位，當(dāng)不考慮徐變時(shí)，加肋塔比不加肋的塔節(jié)省鋼筋量3%～5%。當(dāng)不考慮徐變時(shí)，與考慮徐變相比鋼筋量增加80%左右。

d.對(duì)于8.75 度的高烈度地震區(qū)域，地震對(duì)X柱的截面選擇及配筋影響非常大，由于軸壓比的控制，柱子的截面面積比非地震區(qū)增加約30%～50%，由地震力引起的柱子軸力增加約50%左右。對(duì)于環(huán)基的影響不大，地震荷載工況和其他的最不利工況相比較，地震工況的配筋稍大一點(diǎn)。

［1］ 郭維勝.超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的問(wèn)題［J］.電力建設(shè)，2009，（3）：45－50.

［2］ 薛文.火力發(fā)電廠超大型雙曲冷卻塔抗震性能分析［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2010.

［3］ 石俊彪.自然通風(fēng)冷卻塔非線性有限元分析［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.